自然通風(fēng)濕式冷卻塔防凍數(shù)值研究

李永華，李燕芳，魏杰儒，潘昌遠(yuǎn)

(華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，保定 071003)

0 引言

冷卻塔作為電廠重要的冷端設(shè)備之一，其正常運(yùn)行對(duì)電廠至關(guān)重要。由于我國北方冬季氣溫較低，風(fēng)速較高，容易使冷卻塔進(jìn)風(fēng)口及填料下面等部位結(jié)冰。冷卻塔結(jié)冰直接影響塔的熱力性能，導(dǎo)致其使用壽命縮短，同時(shí)也增加了維修費(fèi)用［1－2］。目前，北方電廠采用加裝擋風(fēng)板是防止冷卻塔結(jié)冰的常見方式。

但是由于實(shí)際冷卻塔尺寸較大以及內(nèi)部流場(chǎng)分布復(fù)雜，對(duì)其內(nèi)部熱力性能的分析很難采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量的方法。隨著CFD軟件技術(shù)的發(fā)展，許多復(fù)雜的物理模型可以利用FLUENT軟件模擬分析。

文中利用FLUENT6.3軟件對(duì)某電廠600 MW機(jī)組自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過模擬冷卻塔在不同工況下(進(jìn)塔水溫分別為17.80 ℃，21.95 ℃，26.77 ℃，30.04 ℃時(shí))的塔內(nèi)流場(chǎng)，分析得出進(jìn)塔水溫對(duì)塔內(nèi)不同特征面水溫的影響規(guī)律，并進(jìn)一步模擬加裝不同層數(shù)擋風(fēng)板后冷卻塔內(nèi)的流場(chǎng)的變化，找到進(jìn)塔水溫和加裝擋風(fēng)板最佳層數(shù)的關(guān)系。從而為優(yōu)化冷卻塔的防凍裝置設(shè)計(jì)和電廠變工況運(yùn)行加裝最佳擋風(fēng)板層數(shù)提供了一定的理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 模型選擇與設(shè)置

在自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔實(shí)際運(yùn)行中，傳熱和傳質(zhì)過程同時(shí)進(jìn)行，而且水向空氣散熱主要是接觸散熱和蒸發(fā)散熱，輻射散熱量很小，因此可忽略不計(jì)。根據(jù)冷卻塔介質(zhì)的流動(dòng)特性和 FLUENT軟件模型的特點(diǎn)，對(duì)冷卻塔計(jì)算模型作如下設(shè)置［3－8］:

1)冷卻塔的雨區(qū)和噴淋區(qū)由于水汽體積比＜10%，因此采用離散相模型。其中空氣為連續(xù)相，采用歐拉法求解;水滴為離散相，采用拉格朗日法計(jì)算。

2)冷卻塔內(nèi)填料區(qū)由于分布致密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要采用自定義函數(shù)UDF對(duì)其質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換進(jìn)行求解。

3)采用穩(wěn)態(tài)雷諾應(yīng)力平均 N－S方程，選用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，其中在輸運(yùn)方程中考慮浮力項(xiàng)。

4)計(jì)算中，控制微分方程的離散化采用了有限差分法中的控制容積公式法，控制方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式。

5)流場(chǎng)計(jì)算采用SIMPLE算法，F(xiàn)LUENT求解器采用分離隱式。

6)能量方程的收斂精度為10－6，其余方程的收斂精度為10－5。

1.2 離散相模型

1.2.1 連續(xù)相控制方程

機(jī)組在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，冷卻塔內(nèi)部和外部流場(chǎng)可按定常流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。故連續(xù)相的控制方程如下［9－10］:

質(zhì)量守恒方程:

式(1)中:ρ—濕空氣密度，kg/m3;ui—i向速度矢量;源相Sm—由于水滴蒸發(fā)從離散相加到連續(xù)相的質(zhì)量。

動(dòng)量守恒方程:

式(2)中:P—空氣靜壓，Pa;τij—應(yīng)力張量;ρgi—i向重力體積力;F—i向外部體積力;ui，uj—i，向速度矢量。

1.2.2 離散相控制方程

在自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的噴淋區(qū)和雨區(qū)，循環(huán)冷卻水以水滴的形式自由下落，下落過程中以對(duì)流散熱和蒸發(fā)散熱為主。離散相應(yīng)用拉格朗日法計(jì)算，空氣與水滴的熱質(zhì)交換通過相間耦合求解。水滴的溫度變化如下［3］:

式(3)中:Mp—水滴質(zhì)量，kg;cp—水滴比熱，kJ/(kg·K);Tp—水滴溫度，K;Ap—水滴表面積，m2，設(shè)定水滴形狀為球形;hfg—水滴蒸發(fā)潛熱，kJ/kg;Tadb—控制體內(nèi)空氣干球溫度，K;h—汽水間傳熱系數(shù)，W/m2·K。

1.3 邊界條件

1.3.1 幾何邊界條件

根據(jù)北方某火電廠600 MW機(jī)組的自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的實(shí)際情況，塔體模型的有關(guān)幾何尺寸如下:冷卻塔塔高125 m，環(huán)基外側(cè)直徑106.42 m，塔盆直徑 96.42 m，喉部直徑 52.2 m，塔筒頂部直徑57.01 m，進(jìn)風(fēng)口高度8 m，填料厚度1 m，進(jìn)風(fēng)口處懸掛6層高度為1.33 m擋風(fēng)板。塔外環(huán)境體計(jì)算區(qū)域?yàn)橹睆綖?00 m、高度為500 m的圓柱體。

通過Gambit軟件建立冷卻塔的幾何模型并生成總網(wǎng)格數(shù)大約為83萬的計(jì)算網(wǎng)格。其中根據(jù)模擬計(jì)算精度要求及冷卻塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)冷卻塔塔內(nèi)計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)塔外環(huán)境計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

1.3.2 物理邊界條件

冷卻塔模型物理邊界條件設(shè)置為［3］:圓柱體左側(cè)為速度入口，右側(cè)為壓力出口，圓柱體上面為壓力出口。塔壁面和地面為無滑移壁面邊界條件。模型過程中考慮重力和浮力的影響，離散相邊界條件在進(jìn)出口、進(jìn)風(fēng)口、水池地面、收水器等邊界均為逃逸，在冷卻塔殼壁面為反射。邊界工況參數(shù)設(shè)置如下:空氣干球溫度為－17℃，風(fēng)速為6 m/s，大氣壓力為100 kPa，循環(huán)水質(zhì)量流率為11 829.7 kg/s，水滴當(dāng)量直徑為3 mm。物理邊界設(shè)置如圖1所示。

圖1 物理邊界

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 進(jìn)塔水溫對(duì)塔內(nèi)不同特征面最低水溫的影響

冷卻塔循環(huán)冷卻水進(jìn)塔溫度，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)不是一個(gè)獨(dú)立變量，它受到凝汽器熱負(fù)荷、循環(huán)水質(zhì)量流率以及凝汽器總體傳熱系數(shù)等因素的影響，不同工況對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)塔水溫。以上述理論為基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)塔水溫分別為17.80℃、21.95℃、25.97℃、30.04℃的4個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出進(jìn)塔水溫與塔內(nèi)不同特征面最低水溫關(guān)系如圖2所示:

圖2 進(jìn)塔水溫與不同特征面最低水溫的關(guān)系

由圖2分析得出，在其他因素不變的情況下，當(dāng)進(jìn)塔水溫升高12.24℃，填料下面和進(jìn)風(fēng)口上沿面水溫升高9℃，基環(huán)面水溫升高8℃。塔內(nèi)不同特征面的最低水溫升高幅度小于進(jìn)塔水溫升高幅度。這是由于進(jìn)塔水溫升高，水滴表面與濕空氣的蒸汽壓力梯度增加，蒸汽擴(kuò)散系數(shù)增加，傳質(zhì)系數(shù)增加，蒸發(fā)速度加快，換熱量增加。另外，塔內(nèi)空氣溫度和濕度增加，空氣密度減小，因此冷卻塔內(nèi)空氣的浮力增加，空氣質(zhì)量流量增大，傳質(zhì)系數(shù)增加，汽水有效接觸面積增加。

2.2 加裝擋風(fēng)板對(duì)塔內(nèi)空氣場(chǎng)分布的影響

在冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口處加裝擋風(fēng)板，將進(jìn)風(fēng)口部分或大部分面積封閉，留一部分面積進(jìn)風(fēng)，減少進(jìn)入塔的空氣量，使得冷卻塔內(nèi)空氣和水滴換熱量減少，提高塔內(nèi)溫度，防止結(jié)冰。以進(jìn)塔水溫度為21.95℃工況為例，來說明加裝擋風(fēng)板對(duì)冷卻塔內(nèi)空氣溫度場(chǎng)分布和速度場(chǎng)分布的影響。圖3為填料下面空氣溫度場(chǎng)分布，圖4為進(jìn)風(fēng)口上沿面空氣速度場(chǎng)分布。

由圖3(a)和圖4(a)可以明顯地看出，在未加裝擋風(fēng)板的情況下，冷卻塔內(nèi)填料層下面空氣溫度場(chǎng)和進(jìn)風(fēng)口上沿面空氣速度場(chǎng)分布非常不均勻，這就進(jìn)一步導(dǎo)致汽水換熱不均，從而導(dǎo)致塔內(nèi)溫度偏低，在冬季就會(huì)出現(xiàn)冷卻塔內(nèi)結(jié)冰現(xiàn)象，影響到冷卻塔的冷卻效率，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生結(jié)冰破壞，威脅到冷卻塔安全運(yùn)行。

進(jìn)一步對(duì)比圖3(b)、(c)、(d)和 圖4(b)、(c)、(d)可以明顯看出:隨著擋風(fēng)板層數(shù)的增加，填料下面空氣溫度場(chǎng)和上沿面空氣速度場(chǎng)分布逐漸趨于均勻。這是由于加裝擋風(fēng)板后，使得進(jìn)風(fēng)口面積減小，進(jìn)入冷卻塔的空氣量減少，塔內(nèi)填料下面和上沿面沒有受到進(jìn)入塔內(nèi)冷空氣侵襲，其溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布較為均勻，改善了保溫條件，使得塔內(nèi)水溫不迅速下降。因此，根據(jù)填料下面空氣溫度場(chǎng)和上沿面空氣速度場(chǎng)分布，在進(jìn)風(fēng)口處加裝相應(yīng)合適層數(shù)的擋風(fēng)板可以有效防止冷卻塔冬季結(jié)冰。

2.3 擋風(fēng)板對(duì)塔內(nèi)水溫的影響

進(jìn)塔水溫對(duì)于擋風(fēng)板加裝的最佳層數(shù)有一定影響，為了找到機(jī)組變工況下加裝擋風(fēng)板的最佳層數(shù)，分別選取進(jìn)塔水溫為17.80℃、21.95℃、25.97℃、30.04℃這四種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的擋風(fēng)板加裝層數(shù)與特征面最低水溫關(guān)系如下表所示。

表1 擋風(fēng)板加裝層數(shù)與特征面最低水溫關(guān)系

根據(jù)上表可得，當(dāng)進(jìn)塔水溫分別為17.80℃，21.95 ℃，26.77 ℃，30.04 ℃ 時(shí)，在未加裝擋風(fēng)板情況下，填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面、基環(huán)面的水滴最低溫度均在0℃以下，這三個(gè)特征面水滴均產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。(1)當(dāng)進(jìn)塔水溫為17.80℃時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處加裝4層擋風(fēng)板后，這三個(gè)面的水滴最低溫度分別升高到11℃、9℃、3℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結(jié)冰。(2)當(dāng)進(jìn)塔水溫為21.95℃時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處加裝3層擋風(fēng)板后，這三個(gè)面的水滴最低溫度分別升高到8℃、7℃、1℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結(jié)冰。(3)當(dāng)進(jìn)塔水溫為25.97℃時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處加裝2層擋風(fēng)板后，這三個(gè)面的水滴最低溫度分別升高到11℃、8℃、1℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結(jié)冰。(4)當(dāng)進(jìn)塔水溫為30.04℃時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處加裝1層擋風(fēng)板后，這三個(gè)面的水滴最低溫度分別升高到9℃、7℃、0℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結(jié)冰。

綜上所述，在進(jìn)風(fēng)口處加裝擋風(fēng)板的層數(shù)隨進(jìn)塔水溫升高而減少。當(dāng)進(jìn)塔水溫分別為17.80 ℃、21.95 ℃、25.97 ℃、30.04 ℃ 時(shí)這四種工況下，分別加裝4層、3層、2層、1層為防結(jié)冰的最佳擋風(fēng)板層數(shù)。

3 結(jié)論

文中利用FLUENT軟件對(duì)某電廠600 MW機(jī)組的自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔建立了比較合理完善的數(shù)值求解模型。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

1)進(jìn)塔水溫對(duì)塔內(nèi)不同特征面水溫有一定的影響，在其他因素不變的情況下，當(dāng)進(jìn)塔水溫升高，塔內(nèi)不同特征面的最低水溫也升高，但升高幅度小于進(jìn)塔水溫升高幅度。

2)在進(jìn)風(fēng)口處加裝擋風(fēng)板可以減少進(jìn)入塔內(nèi)的空氣量并改善塔內(nèi)流場(chǎng)分布。隨著擋風(fēng)板層數(shù)的增加，填料下面空氣溫度場(chǎng)和進(jìn)風(fēng)口上沿面空氣速度場(chǎng)分布逐漸趨于均勻，改善了保溫條件，使得塔內(nèi)水溫不迅速下降，有利于防止塔內(nèi)結(jié)冰。

3)增加擋風(fēng)板層數(shù)，使得塔內(nèi)不同特征面的最低水溫相應(yīng)升高。當(dāng)進(jìn)塔水溫升高，擋風(fēng)板加裝層數(shù)相應(yīng)減少。并找到了變工況下加裝擋風(fēng)板來防止冷卻塔結(jié)冰的最佳層數(shù)。這對(duì)北方電廠冬季防止冷卻塔結(jié)冰具有指導(dǎo)意義。

［1］趙振國.冷卻塔［M］.北京:中國水利水電出版社，1996.

［2］史佑吉.冷卻塔運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)［M］.北京:水利電力出版社，1990.

［3］李永華，甄海軍，馬建坤.自然通風(fēng)濕式冷卻塔加裝擋風(fēng)板優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2011，(11):44－48.

［4］王凱.自然通風(fēng)濕式冷卻塔進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場(chǎng)數(shù)值模擬及阻力研究［D］.山東:山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，2006.

［5］游江，周亞素，趙敬德，等.不同環(huán)境工況下密閉式冷卻塔的數(shù)值模擬［J］.建筑節(jié)能，2009，37(9):26－28.

［6］周蘭欣，蔣波，陳素敏.自然通風(fēng)濕式冷卻塔熱力特性模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，4(2):208 －209.

［7］張學(xué)蕾，張明智，劉樹化，等.冷卻塔冷卻性能的評(píng)價(jià)模型［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2002，44(5):299 －303.

［8］王未凡.機(jī)械通風(fēng)式橫流冷卻塔的數(shù)值模擬［D］.山東:山東大學(xué)，2006.

［9］FLUENT:User′s Guide［M］.Fluent Inc.2003.

［10］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.